Nanopartikel in der Medizin

Nanopartikel gelten als Hoffnungsträger der Medizin: Sie werden in der Krebstherapie eingesetzt, als Kontrastmittel im MRT oder in der Impfstoffentwicklung. Doch was genau passiert mit den winzigen Teilchen im Körper? In einem von der DFG geförderten Projekt gehen Forschende der h_da dieser Frage auf den Grund. Dafür entwickeln sie winzige Modellnieren und schicken unterschiedlich designte Nanopartikel hindurch – mal rund, mal sternförmig, mal stachelig. Ziel ist es, besser zu verstehen, wie Nanopartikel im Körper wirken, und Nebenwirkungen zu minimieren.

Von Christina Janssen, 20.5.2026

In manchen Geschichten steckt einfach alles drin, man vermutet sie nur nicht im Chemielabor: winzige Goldsterne unter dem Elektronenmikroskop, millimeterkleine Modellnieren auf Plastikchips, Zellen, die alles wegfressen, was im Körper stört, und Substanzen, die Metall, Glas und Knochen auflösen. Tatsächlich kommt all das gerade in den Forschungslaboren der h_da zusammen – in einem DFG-Projekt zum Thema Nanopartikel.

„Nanopartikel sind ein bis hundert Nanometer groß“, erklärt Professorin Christina Graf vom Fachbereich Chemie- und Biotechnologie. „Ein Nanometer ist 10 hoch minus 9 Meter.“ Also: extrem klein. Manche Partikel können leuchten, andere sind magnetisch, wieder andere eignen sich als Transportvehikel, um Wirkstoffe in einer Chemotherapie gezielt in Tumorzellen einzuschleusen. Deshalb widmet die Forschung diesen kleinen Teilchen derzeit so große Aufmerksamkeit. Zum Team an der h_da zählen neben Nano-Wissenschaftlerin Prof. Dr. Christina Graf der Zellbiologe Prof. Dr. Michael Becker und Prof. Dr. Frank Schael, Experte für Mikroverfahrenstechnik. 

Viele Menschen kommen mit Nanopartikeln in Berührung, ohne es zu wissen – etwa bei einer MRT-Untersuchung. Dort werden beispielsweise Nanopartikel aus Eisenoxid als Kontrastmittel eingesetzt. Auch Goldpartikel gelten als vielversprechende Helfer in der Medizin. „Man kann sie zum Beispiel für die Phototherapie bei Krebs verwenden“, sagt Professorin Graf. Dabei werden Nanopartikel aus Gold als „Hitze-Verstärker“ eingesetzt, um Tumorzellen durch Wärme zu zerstören. Wer nun im Keller des schmucklosen Fachbereichsgebäudes Kisten mit Goldbarren vermutet, liegt allerdings falsch: „Wir werden auch mit Goldpartikeln arbeiten, aber nicht im Kilomaßstab“, stellt Graf klar.

Doch bevor neu entwickelte Partikel zum Einsatz kommen, muss die Wissenschaft verstehen, wie sie sich im Körper verhalten. Und da wird es kompliziert: Nanopartikel können verklumpen, sich anreichern oder an Stellen landen, an denen sie eigentlich nichts verloren haben. So kommt es zu Nebenwirkungen: Zellen werden beschädigt und sterben ab. Das gilt besonders für die Niere. „Die Niere ist vielen toxischen Verbindungen ausgesetzt“, erklärt Zellbiologe Professor Michael Becker. Schließlich wird dort vieles herausgefiltert, was den Körper stresst und stört – auch die Kontrastmittel, die man nach dem MRT durch große Trinkmengen ausspülen muss.

Um die Risiken durch Nanopartikel besser zu verstehen, produzieren die Forschenden an der h_da aus unterschiedlichen Zelltypen winzige „Mini-Nieren“. Sie dienen in den Experimenten als Modelle, mit denen man möglichst nah an die Physiologie einer echten Niere herankommen möchte: Wie strömen Flüssigkeiten und Partikel durch die Gefäße, wo bleiben Nanopartikel hängen, wo bilden sich Klumpen, wodurch genau können Zellen geschädigt werden? All das lässt sich unter dem hochauflösenden Fluoreszenzmikroskop, das die h_da ebenfalls mit DFG-Mitteln anschaffen konnte, sichtbar machen. Professor Frank Schael benennt einen großen Vorteil dieses Setups: „Wir kommen ohne menschliche Probanden und Tierversuche aus.“

Das Zauberwort lautet: Organ-on-a-Chip. „Das Mini-Organ entsteht auf einem speziell designten Plastikchip“, erklärt Professor Frank Schael, der diese „Chips“ selbst entwickelt und im Labor per 3D-Druck herstellt. Tatsächlich sind es kleine Kunststoffkästchen, in denen Zellen zu dreidimensionalen Gebilden heranwachsen – ein entscheidender Unterschied zur Forschung mit klassischen, zweidimensionalen Zellkulturen: „Die Zellen bilden röhrenartige Strukturen – ähnlich wie Blutgefäße oder Nierenkanäle im menschlichen Körper“, erläutert Zellbiologe Becker. Die Forschenden kombinieren hierfür geschickt drei Zelltypen: Nierenzellen, die besonders empfindlich auf Schädigungen reagieren, Blutgefäßzellen und Immunzellen. „Letzteres sind Fresszellen, die alles futtern, was im Körper stört“, sagt Becker. Auch Nanopartikel.

Der Chip ist mit feinen Kanälen versehen. Durch sie werden Flüssigkeiten mit Nanopartikeln ins Innere geleitet und durchströmen das Nierengewebe – ein hochkomplexer Prozess wie im echten Leben. Denn auch in der echten Niere herrscht nie Stillstand: Blut fließt durch ein Netzwerk von Kanälen, Verzweigungen und Biegungen. „Warum hat die Natur die Niere eigentlich genau so aufgebaut und was bedeutet das für die Wirkung von Nanopartikeln?“, beschreibt Schael eine der Fragestellungen, um die er im Projekt geht.

Die Forschenden wollen außerdem herausfinden, wie Material, Form, Größe und Oberflächenstruktur von Nanopartikeln die Toxizität beeinflussen. Und: wie viele Nanopartikel überhaupt das gewünschte Ziel erreichen. „Das Herz von der Frau Graf schlägt dann für die Nanopartikel“, scherzt Zellbiologe Becker. „Und mein Herz schlägt eher für die Zellen. Deswegen untersucht das Team beides: Kommen die Nanopartikel an, wo sie hinsollen? Und sterben mehr oder weniger Zellen ab, wenn die Form der Nanopartikel sich ändert?“

Die Effekte kann Experte Michael Becker in seinen Laboren präzise analysieren: Anhand verschiedener Färbemethoden wird im ersten Schritt festgestellt, ob das Nierengewebe auf den Chips richtig wächst. Nach den Experimenten mit verschiedenen Nanopartikeln wird unter dem Mikroskop sichtbar, wie stark das Gewebe geschädigt ist: „Die Frage ist. Ganz einfach gesagt: Sind mehr oder weniger Zellen tot, wenn die Form der Nanopartikel sich irgendwie ändert?“, sagt Becker.

Dem Geschick von Professorin Graf sind hier keine Grenzen gesetzt: In ihren Laboren stellt sie die benötigten Nanopartikel in großer Formenvielfalt her. „Wir haben kugelförmige Nanopartikel“, sagt sie. „Aber auch besonders lange, würfelförmige oder dreieckige. Manche sehen aus wie kleine Sterne.“ Die Form ist keineswegs bloße Spielerei. Sie beeinflusst direkt, wie sich die Teilchen im Körper bewegen. „Wenn sie einfach nur kugeln, ist das unkompliziert“, erklärt Graf. Stachelige Partikel dagegen bleiben leichter hängen oder werden schneller von Zellen aufgenommen.

Die Herstellung der Partikel ist zunächst einmal klassisches „Kochen“ im Labor: „In kleinen Mengen werden sie ganz im Glaskolben synthetisiert“, beschreibt Graf den Prozess trocken. Auch wenn das einfach klingt, entstehen dort keine zufälligen Teilchen, sondern präzise designte Nanostrukturen. „Man kann einzelne Flächen blockieren, dann wachsen die Nanoartikel in einer bestimmten Form – zum Beispiel als Stäbchen oder Würfel.“ Unter dem Elektronenmikroskop sehen die Teilchen dann erstaunlich kunstvoll aus.

Besonders stolz ist Graf auf ihre Ikosaeder-Sterne aus Gold. „Die haben wir letztes Jahr sogar für eine Weihnachtskarte verwendet“, freut sich die Forscherin. Stoff zum Gruseln bietet ihr Labor indessen auch: Um die Nanopartikel nach Gebrauch zu entsorgen, stehen in einem Abzug in Grafs Labor große Gefäße mit extrem ätzenden Substanzen. Sie tragen Namen wie „Königswasser“ oder „Piranha-Säure“, können sogar Gold, Knochen oder Glas auflösen – und interessieren Besucher (sehr zum Amüsement der Forscherin) mitunter mehr als die Hunderttausende Euro teuren Gerätschaften darum herum.

Am Ende geht es um eine zentrale Frage: Wie lassen sich Nanopartikel für medizinische Anwendungen so gestalten, dass sie möglichst nützlich und möglichst ungefährlich sind? Becker formuliert das so: „Ein Traumergebnis wäre es, wenn wir am Ende ein Patent anmelden könnten. Wenn wir am Ende genau wüssten, wie Nanopartikel geformt sein müssen, damit die Toxizität in der Niere beispielsweise um 50 Prozent reduziert wird.“  Dadurch könnten künftig höhere Kontrastmittel-Konzentrationen eingesetzt, MRT-Bilder präziser und damit aussagekräftiger werden. Doch auch grundlegende Erkenntnisse wären wertvoll: etwa darüber, warum bestimmte Zellen unter bestimmten Strömungsbedingungen anders reagieren als andere.

Selbst wenn daraus nicht sofort neue medizinische Anwendungen entstehen, könnte das Projekt helfen, Risiken besser zu verstehen, auch außerhalb der Medizin. Denn Nanopartikel begegnen Menschen längst nicht nur im Labor. „Man kann sie einatmen, über die Haut aufnehmen oder beim Essen“, sagt Professorin Graf. Sie stecken in Abgasen, Staub oder Alltagsgegenständen. Die winzigen Teilchen sind also längst überall. Und die Forschenden an der h_da versuchen nun herauszufinden, wann genau sie Helfer sind – und wann Problemfälle. Eine Frage, die offenbar auch die NASA interessiert. Bei der letzten Artemis-Mission waren bereits Organ-on-a-Chip-Systeme im Einsatz. Die h_da-Forschenden arbeiten zwar noch nicht für die Raumfahrt – aber an Technologien mit großer Reichweite.